旱区地膜与种植密度对棉花冠层光分布及产量的影响

候金枚 王娟 王有武 陈国栋 曹楠 林皎 万素梅

摘 要 棉花冠层光合有效辐射截获率（PARI）是影响干物质积累和产量形成的重要因素，然而对于不同覆膜方式下种植密度对棉花冠层光分布的影响尚未明确。在旱区一膜三行的机采种植模式下，设2种覆膜方式（有膜和无膜）与5种种植密度（D1：9×104株/hm2，D2：13.5×104株/hm2，D3：18×104株/hm2，D4：  22.5×104株/hm2，D5：27×104株/hm2），研究不同覆膜方式下种植密度对棉花冠层PARI的影响。结果表明，在全生育期，有膜处理下棉花冠层光合有效辐射（PAR）的截获能力较强；冠层PARI与种植密度呈显著正相关关系，不同种植密度之间PARI存在差异；叶面积指数（LAI）随生育进程推进呈单峰曲线。有膜处理下，不同种植密度LAI在第94～98天达到峰值；无膜处理下，不同种植密度LAI在第109～113天达到峰值；随着种植密度的增加干物质积累量减少，其生殖器官生物量有所下降。种植密度为18×104株/hm2下的产量显著高于其他处理（有膜为5 805.07 kg/hm2，无膜为5 436.96 kg/hm2），研究结果为旱区合理密植、构建合理的冠层结构提供理论依据。

关键词 光合有效辐射；冠层结构；覆盖；种植密度；产量构成

棉花是新疆最主要的经济作物之一，在新疆经济发展中占有十分重要的地位[1]。南疆是中国最重要的优质棉花生产基地[2]，20世纪90年代以来，膜下滴灌技术在新疆大面积推广，对棉花生产起到了至关重要的作用[3]，同时解决了南疆水资源短缺、灌溉水利用率低的问题[4]。董合忠等[5]研究发现地膜能提高土壤温度进而提高棉花的成苗率。邢晋等[6]和Braunack等[7]研究表明，覆盖地膜可以促进棉花生长，改变冠层结构，从而提高光合性能及产量。膜下滴灌棉田利于棉花生长，但残膜污染问题日益严重，残膜会阻碍根系生长发育，迫使根系变形，减少根系对水分的吸收，从而降低产量[8]。因此，为了实现绿色、可持续化发展这一目标推出无膜滴灌，无膜滴灌改变了土壤小气候、群体生态条件[9]，其干物质积累、光合有效辐射和棉铃空间分布与有膜滴灌棉田有所不同[10-11]。

种植密度是构建合理群体结构的重要因素[12]，通过影响个体的生长发育，进而影响群体的冠层光合有效辐射截获率（PARI）。群体PARI与干物质转运、产量构成因素密切相关[13-15]。选用合理的种植密度以构建合理高效的群体结构是棉花获得高产的基础[16]。张旺锋等[17]研究认为，当棉花种植密度为18×104  株/hm2时，冠层结构优良，群体光合速率较高。不同的覆膜方式下种植密度具有不同的群体发展优势。因此，结合群体生态环境寻求适宜的种植密度是获得优良冠层结构的基础，且是否覆膜与种植密度互作对棉花经济效益的影响尚不明确。

探索光在作物群体冠层内的空间分布特征以及提高PARI是国内外学者研究的热点之一[18-19]。前人对冠层截获率的研究多使用单一时期观测，其连续性和整体准确性有限，有关不同覆膜方式及种植密度对棉花全生育期PARI时空变化的研究鲜有报道。因此，本试验在不同覆膜方式下设置不同种植密度，研究不同覆膜方式下种植密度对棉花冠层PARI的影响，以期为该区域覆膜方式和种植密度的制定提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2022年在新疆阿拉尔市塔里木大学农学示范基地（40°32′42″N，81°18′53″E）进行。试区属于暖温带大陆性极端干旱气候，年均气温10.7 ℃，≥10 ℃ 积温4 113 ℃·d，无霜期220 d，日照时数2 900 h，降水量46.7～69.5 mm，年均蒸发量1 989.7～2 049.6 mm，农业生产完全依赖于滴灌。试区0～20 cm土壤质地为沙壤土，土壤有机质10.59 g/kg，全氮1.72 mg/kg，有效磷29.66 mg/kg，速效钾162.31 mg/kg，pH   7.93。

1.2 试验设计

試验采用裂区设计，以旱区不同覆膜方式（PM：有膜，NM：无膜）为主区，种植密度（D1：9×104   株/hm2，D2：13.5×104株/hm2，D3：18×104  株/hm2，D4：22.5×104株/hm2，D5：27×104  株/hm2）为副区，重复3次，试验共30个小区，小区面积11.5 m2（2.3 m×5 m）。标准种植模式见图1。

供试品种为‘中棉619，生育期划分如表1所示。播种方式为人工点播，每穴2粒，播深  2～3 cm，出苗后只保留健壮植株1株，其他管理方式同大田生产保持一致。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 叶面积指数 在棉花各生育时期，每个小区随机选取具有代表性的植株6株，将单株棉花的所有叶片从基部剪下，用LI-3100C台式叶面积仪（北京力高泰科技有限公司）测定单株叶面积，计算叶面积指数（LAI）。

1.3.2 冠层PAR的测定

分别于6月6日（苗期）、6月25日（蕾期）、7月16日（花期）、8月17日（铃期）、9月11日（吐絮期）测定不同处理的棉花冠层PAR分布，测定方法：选择晴朗无云天气，在上午12：00-13：00，利用LI-188B线型光量子传感器（美国LI-COR公司）和LI-1400（美国LI-COR公司）数据记录器，每个小区选择长势均匀一致的2行棉花并进行标记（图2），在棉行横向和纵向每隔20 cm设一个传感器，各传感器同时测定入射光（incident photosynthetically active radiation，PARi）和反射光（reflected photosynthetically active radiation，PARr），并根据相应公式[20]计算冠层PAR截获率（photosynthetically active radiation interception rate，PARI）。

PARI=1-PARr/PARi

其他位置的PARI估算采用Surfer软件Kriging空间插值法[20]，计算公式为：

式中，Z（X0）为已知的PARI，Z（Xi）为第i个预测点PARI，i为样品系数，此处无偏条件下∑ni=1i值为1。

为了更好地观察不同种植密度下冠层不同垂直方向上PARI的变化，因此将冠层分为不同的部分，地面至株高1/3处为下部、1/3～2/3处为中部、2/3处以上为上部。采用张昊等[21]的方法，对冠层不同水平行间位点的PARI进行平均  处理。

1.3.3 干物质 在棉花各生育时期，每个小区随机选取具有代表性的植株6株，拆分成营养器官（根、茎、叶）和生殖器官（蕾、铃、花），于信封袋中在105 ℃下杀青30 min，然后在80 ℃下烘干至恒质量，再进行称量并记录数值。

1.3.4 产量构成因子测定 在棉花吐絮率超过80%时进行测产，测产时在每个小区选取长势均匀的10株棉花，带回室内按下部（第1～3果枝）、中部（第4～6果枝）、上部（第7以上果枝）进行考种，按相应部位摘取棉铃，自然风干后称量，折算出单株铃数、棉铃质量；籽棉产量按小区采摘并称重，最后换算为每公顷产量。

1.3.5 经济效益 基本田间管理成本一致，因此仅考虑地膜投入成本。近5 a籽棉市场价格平均为6.93 元/kg，试验所用的地膜价格为825   元/hm2，根据公式计算[22]：

E=G-P

式中，E为经济效益（元/hm2）；G为毛利润（元/hm2）；P为地膜费用（元/hm2）。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2019进行数据统计和预处理，采用DPS v7.05进行数据分析，Origin 2021和Surfer 18软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜方式下种植密度对冠层LAI变化的影响

由图3可知，各处理LAI随生育期的推进呈单峰曲线。结果显示：同一覆膜方式下随着种植密度增加LAI逐渐增大，NM处理较PM的LAI下降快。PM处理在播种后第94～98天（花期）达到峰值，随后LAI的峰值缓慢降低。D5处理的LAI峰值和出现时间较D1、D2、D3、D4处理高90.59%、58.36%、15.98%、11.61%；NM处理在播种后第109～113天（铃期）达到峰值，PM较NM处理LAI峰值提前15 d。

2.2 不同覆膜方式下种植密度对冠层PARI时空变化的影响

2.2.1 对冠层PARI时间变化的影响 图4、图5为不同覆膜方式下种植密度对棉花各生育时期冠层PARI的影响。随着生育进程的推进，冠层PARI呈现“低-高-低”的总体动态变化趋势，且随着密度的增加，冠层PARI逐渐增加。不同覆膜方式下，距离棉行40 cm处，苗期各处理PARI为0；蕾期时，距离地面25 cm处，PM处理下，D4处理PARI高于其他4个处理；NM处理下，D1、D2处理的PARI明显低于D4、D5处理，且D5处理距离地面40 cm处PARI为0.25。花期时，PM处理下，D5处理存在光截获的高度大于其他4个处理，且距离地面25 cm处，D5处理PARI最大。铃期时，不同覆膜方式下，D5处理的PARI均明显高于其他4个处理，但NM处理下，距离地面25 cm处，5个处理的PARI无明显变化。不同覆膜方式下，吐絮期相比生长发育前期PARI明显下降，但D5处理距离地面25 cm处高于其他处理。

2.2.2 对冠层PARI空间变化的影响 由图4、图5可以看出，不同覆膜方式下，冠层PARI整体呈“V”型，表现为棉行中间低于棉行附近。铃期时，PM处理在距地面25 cm处，棉行中间D5处理PARI为0.61，明显低其他4个处理，但截获高度最高，达到90 cm以上；NM处理棉行中间D1处理PARI为0.95，明显高于其他4个处理。在距离地面65  cm高度处，PM处理下5个处理的PARI横向波动范围分别为0.15～0.89、  0.11～0.95、  0.12～0.94、0.10～0.92，0.12～  0.93，其中，D2处理的波动范围较大，说明该高度棉花行间PARI最少；在距离地面45 cm高度处，NM处理下，5个处理的PARI横向波动范围分别为0.32～0.96、  0.72～0.96、0.67～0.96、  0.70～  0.92、0.64～0.96，其中，D1处理的波动范围最大，说明该高度棉花行间PARI最小。不同覆膜方式下，花期时，PM处理在距离地面  65 cm、棉行40 cm处，5个处理PARI分别为  0.5、0.23、  0.19、0.67、0.66；铃期时，NM处理在距离地面45 cm、棉行40 cm处，D1处理的PARI为0.32，明显低于D5处理。

如表2所示，不同覆膜方式下种植密度的增加对整个生育时期不同处理冠层下部PARI无显著影响，但对蕾期和花期冠層上部的PARI存在显著影响。在PM处理下，D1处理冠层上部PARI为0.17，显著高于D2、D3、D4处理；花期D3处理冠层上部PARI为0.27显著高于其他处理，且各处理之间差异显著。在NM处理下，蕾期D1上部PARI显著高于其他处理；花期D3处理PARI最高为0.18，显著高于D1、D2、D4、D5处理，分别高出39%、64%、80%、50%。

2.3 不同覆膜方式下种植密度对干物质积累、分配的影响

干物质积累是产量形成的重要因素，分析地膜有无与种植密度变化对干物质积累分配的差异，对构建合理的冠层结构具有指导意义。如表3所示，不同覆膜方式下，PM处理下干物质积累量显著高于NM处理。在同一覆膜方式下，种植密度的减少可以显著提高干物质的积累量和生殖器官的比率。铃期D1处理的生殖器官干物质积累量，分别为144.18 g/株（PM）、63.06 g/株（NM），高于其他处理；生殖器官分配占比，分别为62%（PM）、51%（NM），显著高于其他处理。

2.4 不同覆膜方式下种植密度对棉铃空间分布及铃质量的影响

如图6和图7所示，不同覆膜方式下，分布在不同空间植株的单株铃数和棉铃质量均存在显著差异。PM处理下，D4处理上部单株铃数与D1、D3处理差异显著；D2处理中部的单株铃数与D3处理差异显著；高密度（D4、D5）处理下部的单株铃数与低密度（D1）处理之间差异显著。由图7可以看出，PM处理下，D1处理上部、中部和下部棉铃质量显著高于其他4个处理。D1处理下部平均单株铃数和平均棉铃质量为5.5和6.87 g，分别较D2处理多0.8和0.31 g、D3处理多0.2和  0.36 g、D4处理多1.1和0.44 g、D5处理多1.2和0.49 g。

在NM处理下，冠层上部和中部的平均单株铃数随密度的增加，显著下降。冠层下部D1处理单株铃数显著高于D2、D3、D4、D5处理。D1处理的棉铃质量在上部和中部显著高于D5处理，下部D1处理显著高于其他处理。D1处理冠层下部平均单株铃数为5.3，较D2、D3、D4、D5处理分别多0.9、0.4、1.5、1.5；D5处理冠层下部棉铃质量为5.87 g，较D1、D2、D3、D4处理分别下降0.58 g、0.16 g、0.13 g、0.06 g。上述分析表明，同一覆膜方式下，种植密度减少有利于冠层下部结铃和提高棉铃质量，从而提高经济效益。

2.5 不同覆膜方式下种植密度对产量及经济效益的影响

由表4可知，PM和NM处理的产量之间差异显著，但经济效益无显著差异；随着种植密度的下降，单株铃数和棉铃质量均呈增加趋势，且PM与NM处理具有显著差异。D3处理的籽棉产量最高，分别达到5 805.07 kg/hm2（PM）、5 436.96 kg/hm2（NM），同时经济效益也最高，分别为  39  404.15元/hm2（PM）、37  678.11 元/hm2（NM），且与其他处理在产量和经济效益差异  显著。

2.6 产量和产量构成因素与PARI的相关分析

如图8所示，棉铃质量、籽棉产量以及单株铃数、冠层PARI在各部位之间具有一定的相关性。单株总铃数与各部位铃数呈显著正相关关系；籽棉产量与单株铃数、棉铃质量呈正相关关系，说明增加棉铃质量和单株铃数有利于产量的提高。冠层下部PARI与各部位单株铃数、棉铃质量和籽棉产量呈正相关关系，其中，与单株总铃数、棉铃质量及籽棉产量呈显著正相关关系。冠层中部、上部的PARI与产量及产量构成因素呈负相关关系。以上分析说明冠层下部PARI的增加有利于增加籽棉产量，从而提高经济效益。

3 讨  论

3.1 不同覆膜方式下种植密度对棉花LAI的影响

种植密度是影响群体结构的重要因素，而叶面积指数是反映冠层光合生产潜力和作物长势的重要参数之一，是作物群体质量的重要量化指标[23]。理想的群体结构通过控制群体的密度，从而得到适宜的LAI。本文中不同覆膜方式对棉花LAI总体变化趋势基本相同，PM处理对棉花生长具有促进作用；种植密度与棉花LAI呈显著的正相关关系，且LAI的增加使群体透光率下降，与王全九等[24]研究结果一致。本研究中不同种植密度间LAI在第66天差异较小，随棉花生长发育，9×104株/hm2和13.5×104株/hm2差异小，但与18×104株/hm2、22.5×104株/hm2、27×104株/hm2之间差异显著，说明高密度处理的冠层空间郁闭，限制个体生长发育，群体冠层结构受限，光分布下降。

3.2 不同覆膜方式下种植密度对冠层PARI的影响

光合有效辐射是太阳辐射中能被植物吸收并进行光合作用的部分，是形成植物干物质的能量来源[25]。冠层PARI是反映光合有效辐射的重要指标，产量与冠层下部PARI呈显著正相关关系，说明提高冠层下部PARI有利于光合产物积累和棉铃形成[24]。本研究结果同刘帅等[20]研究一致，总体PARI均呈先升高后下降的趋势，无膜处理对冠层PARI的影响，由于棉花生长延缓造成群体冠层结构差异引起的。种植密度的高低直接影响棉花个体与群体结构发展，同时影响冠层对PAR的截获，则直接影响了冠层对PAR的截获[26]。本研究表明，随着种植密度的增加冠层上部和中部PARI增加，冠层下部降低。因此，高密度处理会使冠层结构变劣，低密度处理下棉花群体存在浪费光资源的现象，两者都不是理想的冠层结构，中密度处理下棉花冠层PARI较好，这与冯国艺等[27]得出的新疆超高产棉花光分布特性相同。

3.3 不同覆膜方式下密度对干物质积累、转运的影响

干物质是作物光合作用的产物，对作物产量具有重要意义。不同覆膜方式和种植密度对干物质积累量的影响存在差异[28]。本研究结果表明，PM处理下棉花干物质显著高于NM处理，表明覆膜促进作物干物质的积累。周相等[29]的研究表明：18×104株/hm2种植密度处理单株干物质积累量较高，整个生育期叶面积指数适中，无显著变化，有利于产量提高。李春梅等[30]研究认为在76 cm等行距下，种植密度为12×104株/hm2处理的籽棉产量最高。本研究结果表明：干物质积累量随密度增加而减少，在整个生长发育过程中高密度與低密度处理差异显著，可能是由于高密度条件下生长空间紧凑，影响棉株个体发育，低密度条件下生长空间充足，促进个体发育，18×104株/hm2处理下干物质积累量较高，与支晓宇等[31]研究结果一致。

由表2可知，产量与冠层下部PARI呈显著正相关关系，与冠层上部、中部PARI呈负相关关系，与李亚兵等[32]的研究结果相同。随着种植密度增加，冠层中部、上部PARI增加，下部PARI与之相反，但低密度处理（D1、D2）相比高密度处理（D4、D5）在产量上无显著差异，这可能低密度处理提高冠层下部的PARI，促进叶片进行光合作用，造成下部铃数和棉铃质量增加，最终增加产量。高密度处理（D4、D5）提高冠层上部、中部PARI，由于株距紧凑，冠层中部、上部截获率高，下部叶片对光吸收并固定的能力有限，生长发育受到不良影响，导致叶片早衰、蕾铃脱落等问题。因此，中密度处理（D3）产量最好，且PM处理产量显著高于NM，但是经济效益差异不显著，后续对提高干旱区无膜栽培下棉花产量的途径还有待进一步研究。

4 结  论

本研究结果表明，棉花冠层PARI与种植密度呈正相关关系，不同覆膜方式下种植密度在棉花不同生育期内的冠层PARI差异显著，且随密度的增加而增加。不同种植密度下的棉花群体冠层结构不同，棉花叶片的空间分布决定冠层PARI的大小；LAI随着生育期推进呈单峰曲线，PM处理的LAI峰值出现在播种后第94～98天，而NM处理的LAI峰值出现在第109～113天，NM处理的生长延缓；随密度的增加单株干物质积累量下降，18×104株/hm2处理下干物质积累量较高；PM处理与NM处理经济效益之间差异不显著，18×104株/hm2处理经济效益最高。

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Effects of Plastic Film and Planting Density on Canopy Light Distribution and Yield of Cotton in Arid Area

Abstract The photosynthetic active radiation interception rate （PARI） within the cotton canopy plays a vital role in dry matter accumulation and yield formation.However， the effect of planting density on cotton canopy light distribution under different mulching methods has not been clarified.In this experiment， this experiment was  set up in the machine harvesting planting mode of one film strip of three rows set up with two film mulching methods （PM： with film mulching， NM： without film mulching） and five planting densities （D1， 9×104 plants/hm2 ; D2， 13.5×104 plants/hm2; D3，   18×104 plants/hm2; D4， 22.5×104 plants/hm2; D5，27×104 plants/hm2）， to study the effects of planting density on cotton canopy PARI under different cultivation modes.The results showed that compared with NM PM had a higher PARI in the cotton canopy during the whole growth period.The PARI was positively correlated with planting density，with variations observed among different planting densities.The leaf area index （LAI ） displayed a unimodal curve，peaking at 94-98 days for  PM and at 109-113 days for all the density treatments.As the planting density increased，the dry matter accumulation decreased.With gradual decline in the contribution of repoductive organs to dry matter accumulation.The yield at a planting density of 18×104 plants/hm2 was significantly higher than those of other treatments （PM was 5 805.07 kg/hm2，NM was  5 436.96 kg/hm2）.This study provides a theoretical basis for implementing reasonable dense planting praticess and estalishing a suitable canopy structure in arid areas.

Key words Photosynthetic active radiation; Canopy structure; Cover; Planting density; Yield composition